數(shù)控機(jī)床加工尺寸不準(zhǔn)的故障分析

劉洋 董磊

[摘要]本文在對(duì)數(shù)控機(jī)床加工尺寸不準(zhǔn)故障方面展開探討，另外也分析了其中模塊刀具補(bǔ)償和補(bǔ)差算法，以期利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)求解出控制機(jī)床精密運(yùn)動(dòng)的代碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的精密控制。最后，提出精密數(shù)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)中的5個(gè)模塊設(shè)計(jì)。同時(shí)，借助于機(jī)床裝備制造業(yè)來大力推廣誤差補(bǔ)償技術(shù)，并且在機(jī)床的設(shè)計(jì)制造過程中融入精度再生的理念。

[關(guān)鍵詞]數(shù)控機(jī)床 尺寸 分析

[中圖分類號(hào)]：TG659

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1672—5158（2013）05—0085—01

1造成數(shù)控機(jī)床尺寸不準(zhǔn)的原因

數(shù)控機(jī)床通常是由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、伺服電機(jī)、工作臺(tái)（或刀架）的位置反饋測(cè)量裝置等組成。在零件加工時(shí)，數(shù)控裝置按照控制介質(zhì)上的加工程序，通過數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)字運(yùn)算后向伺服驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)滾珠絲杠螺母?jìng)鬟f給工作臺(tái)（或刀架），使工件與刀具之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)位置檢測(cè)反饋裝置將工件與刀具之間的實(shí)際相對(duì)移動(dòng)量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)（如電脈沖信號(hào)等）反饋給數(shù)控裝置，數(shù)控裝置將指令轉(zhuǎn)位量與反饋的實(shí)際轉(zhuǎn)位量進(jìn)行比較（其具體比較量根據(jù)伺報(bào)系統(tǒng)不同可分為相位、幅值、數(shù)字），將其差值又控制工件的相對(duì)移動(dòng)，當(dāng)工件與刀具相對(duì)移動(dòng)量與指令移動(dòng)量相符時(shí)，工件與刀具之間停止相對(duì)移動(dòng)，從而加工出符合程序設(shè)計(jì)要求的零件。

但在實(shí)際加工中卻時(shí)常出現(xiàn)工件與刀具之間并未完全按照指令值進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)，造成加工零件尺寸與設(shè)計(jì)不符。下面就以目前我廠應(yīng)用最多的半閉環(huán)數(shù)控機(jī)床為對(duì)象進(jìn)行分析，可將它分為兩部分：第一部分是伺服電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)位值與指令轉(zhuǎn)位值不符；第二部分是伺服電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)位值與指令轉(zhuǎn)位值相符，但工件與刀具的實(shí)際相對(duì)移動(dòng)未達(dá)到要求。

2數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)背景

誤差補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展40年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者的不懈努力推動(dòng)著誤差補(bǔ)償技術(shù)的不斷向前發(fā)展。誤差補(bǔ)償?shù)膫鹘y(tǒng)途徑有硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩種。本文研究的是軟件誤差補(bǔ)償，它是依據(jù)誤差補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)開發(fā)出應(yīng)用軟件，對(duì)要加工的數(shù)控代碼進(jìn)行處理，得到補(bǔ)償后的數(shù)控代碼，用以控制機(jī)床加工。軟件誤差補(bǔ)償技術(shù)的研究包括三個(gè)方面：數(shù)控機(jī)床誤差建模技術(shù)；誤差參數(shù)測(cè)量和辨識(shí)技術(shù)；誤差補(bǔ)償實(shí)施方法。

2.1數(shù)控機(jī)床誤差建模技術(shù)

數(shù)控機(jī)床誤差建模技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)高精度誤差補(bǔ)償?shù)氖滓獑栴}是如何精確的建立數(shù)控機(jī)床空間誤差（幾何誤差、熱變形誤差、載荷變形誤差）的計(jì)算模型。其中，幾何誤差建模多種多樣，早期的研究是用三角關(guān)系來推導(dǎo)幾何誤差模型。比較有代表性是Rahman等基于齊次坐標(biāo)矩陣建立起多軸數(shù)控機(jī)床的準(zhǔn)靜態(tài)誤差綜合空間誤差模型，改模型還包含了幾何誤差、曰轉(zhuǎn)誤差、熱誤差和機(jī)床部件彈性變形誤差。如今多體系理論為基礎(chǔ)研究機(jī)床集合誤差建模及補(bǔ)償方法成為主要發(fā)展方向。然后，機(jī)床的熱變形誤差也是補(bǔ)償技術(shù)的難點(diǎn)，早期研究方法由經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和數(shù)值計(jì)算，但前者通用性比較差，特別是參數(shù)變化較多，難以解決；后者利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析熱源和傳熱情況，計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確，但是缺點(diǎn)是計(jì)算時(shí)間較長，且無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)償。目前，利用專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等人工智技術(shù)發(fā)展，給誤差補(bǔ)償帶來新的發(fā)展。載荷誤差主要體現(xiàn)在大型或重型機(jī)床上，如鏜銑床滑枕懸臂的下垂變形，龍門銑床主軸箱移動(dòng)引起橫梁變形等，關(guān)于這方面研究較少。

2.2誤差參數(shù)測(cè)量和辨識(shí)技術(shù)

幾何誤差的檢測(cè)方法主要有下述兩大類：單項(xiàng)誤差直接測(cè)量法和綜合誤差測(cè)量參數(shù)辨識(shí)法。首先，單項(xiàng)幾何誤差直接測(cè)量法，利用用相應(yīng)的測(cè)量儀器，對(duì)各項(xiàng)幾何誤差逐一進(jìn)行測(cè)量，得到各項(xiàng)誤差。如用光柵尺、磁柵尺設(shè)備來測(cè)量螺距誤差等。這些方法效率低、精度差，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，不能滿足現(xiàn)代高生產(chǎn)率的要求。再者，綜合誤差測(cè)量辨識(shí)方法該方法是對(duì)機(jī)床工作區(qū)域內(nèi)指定點(diǎn)的定位誤差進(jìn)行測(cè)，通過數(shù)學(xué)模型對(duì)其測(cè)量點(diǎn)的綜合誤差進(jìn)行辨識(shí)，間接得到機(jī)床各項(xiàng)誤差的離散值。綜合誤差測(cè)量辨識(shí)方法常見的有：光柵陣列法、雙球桿（DBB）測(cè)量法、一維球列法、平面正交光柵測(cè)量法等。這些方法往往測(cè)量儀器簡單，效率高，操作方便。

2.3誤差補(bǔ)償實(shí)施技術(shù)

最傳統(tǒng)的誤差補(bǔ)償方法是借助凸輪、靠模、校正尺等機(jī)械式誤差補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)精密機(jī)械系統(tǒng)的誤差進(jìn)行修正的方法。雖然這類方法有一定的成效，但存在設(shè)計(jì)周期長、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨拙、成本高、柔性差等問題，難以滿足現(xiàn)代生產(chǎn)及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要求。隨著計(jì)算機(jī)、電子和檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人們對(duì)機(jī)床自身運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)不斷深入，1961年出現(xiàn)了以機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差建模及誤差補(bǔ)償專用功能芯片為主體的硬件誤差補(bǔ)償方法，逐步取代了傳統(tǒng)的機(jī)械式誤差補(bǔ)償方法，并取得明顯效果。

3數(shù)控系統(tǒng)中模塊刀具補(bǔ)償和插補(bǔ)算法

誤差補(bǔ)償是以數(shù)控機(jī)床的刀具中心路線為輸入量的，首先必須精確計(jì)算出刀具中心點(diǎn)的坐標(biāo)值，同時(shí)為了構(gòu)造融人誤差補(bǔ)償功能的數(shù)控系統(tǒng)，也必然要涉及到插補(bǔ)模塊。因此，刀具補(bǔ)償和插補(bǔ)算法是本論文研究中的兩個(gè)重要的基礎(chǔ)內(nèi)容，也是數(shù)控機(jī)床精度再生關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。

3.1刀具補(bǔ)償算法介紹

在進(jìn)行零件加工程序（G加工代碼）的編程時(shí)，一般用零件的輪廓形狀進(jìn)行編程，故刀具中心的運(yùn)動(dòng)軌跡總是偏離零件輪廓表面一個(gè)刀具半徑值。為使刀具最終加工輪廓與零件輪廓相符合，需要使刀具中心軌跡向外或向里偏移一個(gè)刀具半徑值，稱為刀具半徑補(bǔ)償。刀具補(bǔ)償由刀具長度補(bǔ)償和刀具半徑補(bǔ)償組成。不同類型的機(jī)床與刀具，其刀補(bǔ)參數(shù)也不同。這里，刀具長度補(bǔ)償通過給定刀具中心在主軸端面中心坐標(biāo)系中的位置矢量來補(bǔ)償，重點(diǎn)就是半徑補(bǔ)償。精密加工系統(tǒng)必須正確、全面地考慮刀具補(bǔ)償，否則得到的仿真結(jié)果將和實(shí)際加工結(jié)果存在著偏差。尤其是數(shù)控銑削加工部分中的關(guān)于程序段之間轉(zhuǎn)接判斷和轉(zhuǎn)接點(diǎn)的計(jì)算，其中也必須遵守刀具半徑補(bǔ)償算法的規(guī)定，即程序段軌跡角度和刀具半徑矢量的規(guī)定。

3.2差補(bǔ)算法介紹

由于數(shù)控程序中的數(shù)據(jù)值只能是一段軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值，因此，在起點(diǎn)和終點(diǎn)之間要進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)密化”工作，即插補(bǔ)過程。插補(bǔ)工作對(duì)數(shù)控機(jī)床而言，一般是由硬件中的運(yùn)算器來完成的，而在本仿真軟件中，則可利用軟件方法來實(shí)現(xiàn)，把每次模擬插補(bǔ)計(jì)算產(chǎn)生的指令信號(hào)輸出到計(jì)算機(jī)顯示器終端，驅(qū)動(dòng)顯示器的彩色象素點(diǎn)工作，從而動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地顯示刀具的當(dāng)前位置，進(jìn)而動(dòng)態(tài)顯示出刀具在整個(gè)加工過程中的切削運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控程序代碼的仿真。一般，對(duì)于實(shí)時(shí)和高速?zèng)]有特別的要求，可以采用的是逐點(diǎn)比較脈沖增量插補(bǔ)算法。

4總結(jié)

以上對(duì)數(shù)控加工機(jī)床出現(xiàn)加工尺寸不穩(wěn)定，就實(shí)踐中較易出現(xiàn)的幾種原因進(jìn)行了分析。在具體故障判斷中，要求我們仔細(xì)觀察故障的細(xì)微變化與不同，運(yùn)用電氣與機(jī)械知識(shí)，對(duì)其進(jìn)行全面分析后，方能準(zhǔn)確找到故障點(diǎn)及時(shí)排除。本文以數(shù)控機(jī)床精度可再生為研究內(nèi)容和目的，在回顧數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)研究進(jìn)展基礎(chǔ)上，分析了其中模塊刀具補(bǔ)償和補(bǔ)差算法，以期利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)求解出控制機(jī)床精密運(yùn)動(dòng)的代碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的精密控制。最后，提出精密數(shù)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)中的5個(gè)模塊設(shè)計(jì)。同時(shí)，借助于機(jī)床裝備制造業(yè)來大力推廣誤差補(bǔ)償技術(shù)，并且在機(jī)床的設(shè)計(jì)制造過程中融入精度再生的理念。

參考文獻(xiàn)

[1]余峰浩，淺談數(shù)控加工中心的安裝與調(diào)試[J]機(jī)械工程與自動(dòng)化，2006，（01）

[2]劉博，徐慶華，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工中誤差來源分析及其對(duì)策[J].中國科技信息，2006，（04）